多普勒产品的生成与应用课件

多普勒雷达产品的

生成与应用7/22/20231雷达产品分类：反演识别产品

雷达产品基本数据产品物理量产品

风场反演产品

识别产品

7/22/20232主要内容

1基本数据产品平面位置显示PPI距离高度显示RHI体积扫描显示VOL等高平面位置显示CAPPI局部多层CAPPI任意垂直剖面显示VCS垂直最大回波强度显示CR等值线图显示产品7/22/202332物理量产品

2.1强度物理量产品回波顶高（ET）雨强（RZ）垂直累积液态含水量（VIL）1小时累积降水量（PA）2.2径向速度物理量产品径向散度（RVD）方位涡度（ARD）合成切变（CS）2.3谱宽物理量产品分层组合湍流（CAT） 7/22/202343风场反演产品速度方位显示产品(VAD)垂直风廓线产品(VWP)二维、三维风场反演产品*4识别产品(1)阵锋风自动识别;(2)下击暴流自动识别;(3)中尺度气旋自动识别;(4)龙卷涡旋自动识别;(5)暴雨自动识别;(6)冰雹自动识别;(7)风暴自动识别、跟踪和预报7/22/20235类型：强度（反射率因子）径向速度速度谱宽显示方式：平面位置显示PPI距离高度显示RHI体积扫描显示VOL等高平面位置显示CAPPI任意垂直剖面显示VCS垂直最大回波强度显示CR基本数据产品2.1基本数据产品7/22/202362.1.1基本产品概述(1)定义

基本雷达数据产品是新一代天气雷达系统的基本产品，它主要将雷达以各种观测方式得到的数据，在不变化其数据特性的前提下，在多种不同的坐标中表现出来。 实时性强、直观、形态特征明显。7/22/20237（2）作用用来分析一些重要的气象特征 而这些特征在导出产品中表现得并不明显。可以鉴别典型的天气尺度和中尺度天气系统的特征。可以验证导出产品的特征基本数据产品是产生所有导出产品的输入数据，可以用它来验证导出产品。7/22/202382.1.2

基本产品介绍

（1）平面位置显示（PPI） ①定义 指雷达以固定仰角，天线以全方位扫描的探测方式而获取的数据，通过以雷达为中心的极坐标形式，采用不同的彩色色标来表示数据的大小和方向而产生的图象产品。

可配上当地的地形、河流、行政区划等地理信息，方便用户使用7/22/20239在每个仰角上沿着雷达波束向外径向距离增加代表了离地高度增加7/22/202310PPI强度、速度和谱宽7/22/202311

②应用

a.分析可能产生强对流天气和长时间降水等的天气系统，了解雷达强度回波产品的一些分布形状。

b.分析和估计风向风速以及它们随高度的分布情况 其原理就是因为不同的雷达探测距离对应于不同目标的高度，根据测高公式与大尺度的流场对应起来，即可近似估计风场随高度的变化特征。

c.分析中小尺度系统的径向速度分布特征7/22/202312①定义 指当雷达天线通过以固定方位作俯仰扫描的探测方式所获取的数据，在以雷达为坐标原点的极坐标中用不同的色标来表示数据的大小和方向而产生的图象产品。(2)距离高度显示（RHI）7/22/202313RHI强度、速度和谱宽7/22/202314②应用

a.该产品以雷达站作参考点，用于确定某方位上产品信息的垂直结构

b.该产品可以实时显示，用于监测强对流天气系统中经常会出现的某些强度回波分布形态，如穹隆等。

注意：RHI产品中的高度坐标是放大了的。这种产品对于没有方向性的标量信息（如回波强度、速度谱宽）影响不大，但对于分析带有方向性的矢量产品会产生较大的影响。7/22/202315对于某高度上的径向速度信息，并不是表示该高度上的上升或下沉速度。若从图象中分析得到100km距离，9km高度上的径向速度为-5m/s，根据测高公式可计算得到该处相应的仰角为5°，则其真正的含义是雷达为仰角为5°，探测距离为100km处的径向速度为5m/s，而非该处的垂直下沉速度。

7/22/202316（3）体积扫描（VOL）①定义 指将雷达在不同的仰角上进行全方位扫描探测而获取的数据，通过以雷达为中心的极坐标形式，采用不同的彩色色标来表示数据的大小和方向而产生的图象产品。

可得到对应已扫描的每一个仰角的回波强度、径向风场、速度谱宽三种产品。7/22/2023177/22/202318②应用此产品的基本应用同PPI产品。此外利用此产品可以得到CAPPI、VCS、CR等产品。利用此产品可以反演得到各种物理量产品和反演识别产品。7/22/202319(4)等高平面位置显示（CAPPI）

①定义 按照用户设置的高度，应用测高公式，选取临近该高度平面上的上下两个仰角相应雷达测测距上的数据，然后用内插方法得到该高度上的数据。7/22/202320

为提高数据精度，常采用双线性插值及加权平均插值方法。当然，若实测数据刚好位于设置的高度平面上，则毋内插。 如图所示，A和B点直接应用实测数据，而C点的数据，则需要用A、B、D、E四点的实测数据经上述内插方法得到。7/22/202321CAPPI获取数据示意图7/22/202322CAPPI强度7/22/202323

②应用这种分布图象的高度相等，可以较方便的分析信息在某高度上的水平分布，便于和临近该高度的天气图分析相结合。用不同高度上的CAPPI数据还可以了解信息的三维结构。7/22/202324（5）局部多层CAPPI显示产品①定义 局部多层CAPPI显示的处理原理类似于等高平面位置显示（CAPPI），利用体积扫描获取的三维数据，在任一PPI显示的图象中确定所选区域，经处理得出多个不同高度上所选区域的CAPPI，然后构成假三维结构的图象多层CAPPI强度。②应用同CAPPI，而该产品可同时看到多个高度层的CAPPI信息7/22/2023257/22/202326(6)任意垂直剖面显示（RCS、VCS、SCS）①定义

用体积扫描获取的三维数据根据用户在任意仰角的PPI图象上确定的两点，以该两点连线作为需要分析的垂直剖面的基线，显示出这垂直剖面与其它仰角的PPI相交的数据。 由于体积扫描时，相邻不同仰角之间的间隔不可能取得很小，所以在不同仰角之间的区域，仍采用双线性插值及距离加权平均插值的方法予以弥补。7/22/202327RCS（强度）7/22/202328②应用作用与RHI产品相同，但不受必须固定方位角的限制，能分析回波区中任意方向的垂直结构。注意：由于径向速度的方向性，任意方向剖面上的径向速度一般情况下没有明确的意义。7/22/202329（7）垂直最大回波显示（CR）①定义 应用体积扫描获取的回波强度数据，在以1kmX1km（或2kmX2km）为底面积，直到回波顶的垂直柱体中，对所有位于该柱体中的回波强度资料进行比较，挑选出最大的回波强度。再用测高公式计算最大回波强度的所在高度。7/22/2023307/22/202331②应用a.有助于用户快速查看最大回波强度及相应高度的分布。b.在稳定性降水条件下，还有助于用户识别0℃

层亮带及其所在高度。c.由于在冰雹区域，相应的中空可能存在水份积累区，所以CR产品还可作为监测冰雹的生发展的工具。7/22/202332雹云外观0度层亮带7/22/202333注意:近距离处有地物回波干扰，以免把地物回波误认为最大回波强度。在远距离处，由于最低仰角获取的数据离地面有一定高度，所以可能探测不到真正的最大回波强度。另外，由于业务工作的时间限制，一般体积扫描的最高仰角不会很大（小于30°），所以在雷达周围地区不一定能探测到最大回波强度，如下图中大于αmax仰角的地区。7/22/202334探测范围示意7/22/202335为了方便用户使用，系统还提供部分产品的图象转换成等值线显示的功能。等值线要求平滑、连续，符合气象上常用等值线绘制原理。等值线间隔由用户设置。等值线(8)等值线图显示产品7/22/2023367/22/2023372物理量产品

物理量产品：对雷达获取的强度、径向速度和谱宽资料经过一定的客观处理、转化为气象上常用的物理量产品图像和图形产品。

(1).强度物理量产品回波顶高（ET）回波底高（EB）雨强（RZ）垂直累积液态含水量（VIL）1小时累积降水量（PA）、时段累积降水量7/22/202338(2).径向速度物理量产品径向散度（RVD）方位涡度（ARD）合成切变（CS）(3).谱宽物理量产品分层组合湍流（CAT）

7/22/202339（1）强度物理量产品-回波顶高（ET） 对流的强弱一般和回波伸展高度有关，所以ET产品的作用如下：分析估计对流发展与否，以及对流相对强弱的情况。分析对流风暴，最高的回波顶高对应最强烈的风暴。

7/22/202340 原理：应用体扫数据，选择回波阈值，根据测高公式，在以某一定的底面积的垂直柱体中，自上而下地搜索选定阈值所在高度，若该回波强度阈值在上下两个仰角的经线之间，则用插值方法确定阈值所在高度，用这种方法得到的回波顶高分布图像即为ET，单位为km。7/22/2023417/22/202342反射率阈值，可根据当地的气象气候条件和需要择定。一般情况下：云顶高度处的回波强度阈值为5dBZ估计降水层顶时的强度阈值为18dBZ探测强回波顶高度时，则用30dBZ垂直柱体的底面积，用户可自行择定。一般为：1km×1km，2km×2km和4km×4km7/22/202343 根据理论和实际观测，降水区雷达反射因子Ｚ和降水强度存在着一定的关系，故可用雷达强度资料估计雨强分布。 目前对单偏振的多普勒雷达和常规数字化雷达而言，业务应用的是Ｚ-Ｒ（雨强）关系法。这关系通常用Z=ARb表示。 本产品就是将多普勒雷达PPI扫描的回波强度资料，通过Z-R关系计算，得到瞬时雨强分布，并以16种色调显示不同等级的雨强，单位为mm/h。（2）强度物理量产品-雨强（RZ）7/22/2023447/22/202345注意：

参数A和b随不同雨型、天气条件等因素而变化。一般可根据当地收集的雨滴谱资料，经计算统计确定A和b值，也可用当地雨量计资料对雷达测量的雨强进行对比，对系数作适当修正。7/22/202346

VIL用于反映降水云体中垂直柱体内的液态含水总量分布。 基本原理如下：根据一定的滴谱分布的假设条件（一般为Ｍ－Ｐ分布），得到液态含水量Ｍ和雷达反射因子Ｚ之间的关系（简称Ｚ－Ｍ关系）；在雷达体扫描中应用Ｚ－Ｍ关系可直接转换成液态含水量分布；然后对液态含水量从地面垂直向上到云顶进行累积，即可得到垂直累积液态含水量的分布。（3）强度物理量产品-垂直累积含水量（VIL）7/22/202347垂直累积含水量（VIL）7/22/202348VIL产品的应用：它是判别强降水及降水能力、强对流天气和冰雹等灾害性天气的最有效的工具之一。有助于确定大多数显著风暴的位置，它往往和大面积降水区中的降水中心区对应得很好。冰雹单体能导致很强的VIL，所以有助于识别较大的冰雹单体和超级单体风暴。7/22/202349说明：①体积扫描时不可能把仰角抬得很高，在锥区内，如果探测不到回波项，使VIL值估计过低；7/22/202350②Z-M关系式是在雨滴谱服从M-P分布假定下得到的，所以实际降水云中雨滴谱的易变性将导致VIL值产生误差。为减少这种误差，建议对不同的降水分型，如对流云降水，层状云降水和积层混合云降水等。然后对同一类型降水的不同降水过程（如阵雨，对流性暴雨和冰雹等）的VIL进行统计分析比较，以便得到对本地有实际意义的判别指标。7/22/202351③对快速移动的降水云，由于雷达高低仰角探测有一个时间差，也可能使云体上部伸展到相邻的柱体中。因此这时的VIL值将小于假定这些降水云体不倾斜或移动较慢情况下的VIL。④探测非对流降水云体时，可能某种仰角的射线刚好穿过0℃层亮带，这时计算的VIL值将存在误差。7/22/202352计算某一点的24小时以内任一小时的降水量的累积。由雨强乘以两次探测的时间间隔，即得到该间隔内的降水量。然后把该时段内所有时间间隔内的降水量累加，即为该时段的降水量。（4）强度物理量产品-1小时累积降水量7/22/202353基本原理：把最低4个仰角的基本反射率扫描转换成一个最佳反射率的“混合扫描”；再对波束充塞程度和遮挡等要素进行订正；然后，把混合扫描转换成降水率(雨强)，并用来计算体扫到体扫的累积降水量。7/22/2023547/22/2023551小时累积降水量从当前体扫到1小时前的体扫的连续累加，每个体扫更新一次7/22/202356（5）径向速度物理量产品-径向散度（RVD）

RVD即径向速度的径向切变。 这种径向切变可在一定程度上表征散度，可以反映出大气中的辐散、辐合现象。近距离的低空，当径向切变表征为辐散性，并且达到一定强度和一定范围时，可用来帮助识别下击暴流。当径向切变表征为辐合性，并且达到一定强度和一定范围时，可用来帮助识别低空阵风锋等强对流天气。 7/22/2023577/22/202358（6）径向速度物理量产品-方位涡度（ARD）

ARD即径向速度的方位切变。 这种径向速度的方位切变可在一定程度上表征涡度，反映出大气中存在的气旋性或反气旋性的旋转情况。 另外，当这种方位切变表征为气旋性，并且切变达到一定强度和一定范围时，还可用来帮助识别中尺度气旋等强对流天气。7/22/2023597/22/202360（7）径向速度物理量产品-合成切变（CS）

CS是径向散度与方位涡度合成的一种显示产品。 它反映了流场中的一种不均匀性，这种产品还可用来帮助识别3-10km尺度以上的阵风锋、低空切变线、中尺度旋转运动等低空风切变的现象。7/22/202361合成切变（CS）7/22/202362（8）谱宽物理量产品-分层组合湍流(CAT)

CAT应用多普勒天气雷达获取的速度谱宽资料(VOL),根据它与湍流强度的关系式，从而估计大气中的气流扰动分布的图象产品。有分层组合湍流最大值和平均值两类产品。7/22/202363

一般在无地物回波区域，当波束较窄的多普勒雷达作低仰角、近距离探测信噪比较大的气象目标时， 由于仰角低，雨滴下落速度对径向速度和谱宽的贡献很小； 近距离处的抽样体积较小,基本上可以忽略水平风切变影响和横向风效应； 较大信噪比的回波信号可忽略噪声影响； 在这种情况下，谱宽就可能和湍流有比较明显的关系。7/22/202364 这种产品可用于对飞机颠簸区域的监测，还有助于估计降水云体的发展情况。 产品将雷达扫描空间分成三个不同高度的层次，每一层的厚度用户可自行确定，但必须不小于2km，产品的缺省值为：地面－7km、7km－10km和10km－18km。7/22/202365体扫数据按高度分层图解

R1、R2分别对应于分界高度与最高仰角斜距的交点在xoy坐标面上的投影。7/22/202366 对于最底层来说有数据的点投影到平面后是圆； 中间层和最高层有数据的点投影到平面后是圆环，如下图所示。中间层在平面上的投影最高层在平面上的投影7/22/2023677/22/202368•速度方位显示产品(VAD)•垂直风廓线产品(VWP)风场反演产品风场反演产品：雷达获取的径向速度分布数据在某些假设条件下通过反演计算获得降水回波区域内风场分布的产品。3风场反演产品7/22/202369（1）速度方位显示产品(VAD) 某一距离库（由斜距和仰角确定所在高度）的径向速度估值随方位角的显示。

在均匀风场或线性风场的假定下，显示的曲线用正弦曲线拟合后，由曲线负的最大值所在的方位角为风的来向，正负速度最大值的平均值为风速。

当水平风场不均匀时，VAD技术显示的多普勒径向速度V将不是余弦曲线形式，远比余弦曲线复杂的多。7/22/2023707/22/202371表达式第一项表示对称度，振幅表示水平风速大小，点的颜色代表这些离散点所在处的反射率因子强度。拟合曲线最底部（负速度）所对应的方位角为水平风向。

7/22/202372产品应用：用于反演晴空或降水模式下某个高度处的水平风场用于检查速度方位显示风廓线(VWP)产品上的风资料，了解为什么有些高度上风资料不可利用或有误7/22/202373(2)垂直风廓线产品（VWP）

垂直风廓线（VWP）:将不同体扫时刻VAD算法导出的各个高度上的水平风用风羽表示在同一幅时间—高度图上而成。

可得到平均风向风速随高度和时间变化的剖面图形。 横坐标表示时间；纵坐标表示高度；风羽代表风速和风向；ND表示此处风资料有误或无资料；风羽颜色代表VAD均方根误差；圆点表示没有资料可供分析。7/22/2023742008012800:007/22/2023757/22/202376应用：有助于了解强对流天气的环境风场。产品显示的低层风垂直变化将有助于航空天气预报。通过了解水平风场随时间变化，可监测冷空气、锋面等的移动情况，指导常规天气预报。有助于判断云层发展高度（因为有云的地方风资料较全）。7/22/2023774识别产品

识别产品：由雷达获取的回波强度、径向速度、速度谱宽，根据各类中小尺度灾害性天气结构模型,分析处理后得到的多类灾害性天气自动识别产品。 包括以下几部分：(1)阵锋风自动识别;(2)下击暴流自动识别;(3)中尺度气旋自动识别;(4)龙卷涡旋自动识别;(5)暴雨自动识别;(6)冰雹自动识别;(7)风暴自动识别、跟踪和预报7/22/202378

(1)阵风锋 出现在强风暴周围的一种强风切变，常造成局地的风害，过境时通常无降水。阵风锋在雷达探测的回波强度图像中表现为环绕强风暴回波的一条细长的弱回波带，通常称为“窄带回波”（ThinLines），径向速度场中表现为强风切变。7/22/202379阵锋风一般发生在高度3公里以下的低层大气中其长度一般要大于10公里它所带来的最大的风切变值应大于每公里3m/s其传播速度一般为5－20m/s

阵锋风自动识别是通过在径向上寻求一致的径向速度减少段来识别阵风锋，确定其位置、强度等等。7/22/2023802009年6月3日商丘雷达观测到的阵风锋阵风锋：反射率和速度窄带回波速度辐合7/22/2023817/22/202382（2）下击暴流自动识别

下击暴流是与强对流性天气伴随产生的。

它尺度小（0.4-4Km），并且突然阵性爆发，向下冲击触及地面物体，破坏性极大。

尽管它维持时间不长（5-10分钟），但风力强，能够严重地影响地面物体和低空飞行物。 下击暴流识别通过在径向上寻求一致的径向速度增加段来确定其位置、强度等。7/22/202383（3）中尺度气旋自动识别 产品是通过在径向上寻求一致的径向速度增加段来确定其位置、强度。 对速度资料进行资料预处理，再按照一定的算法自动探测是否有中尺度气旋产生。7/22/2023847/22/202385（4）龙卷涡旋自动识别 龙卷涡旋一般在较强中尺度气旋中产生，尺度较中尺度气旋小（几百米-1Km），破坏力极大，具有较大风速和较大方位切变。 对于龙卷涡旋，一般是在中尺度气旋存在的情况下来确定其是否会产生。对速度资料进行资料预处理，再按照一定的算法自动探测是否有龙卷涡旋产生。7/22/2023867/22/202387（5）暴雨自动识别 先根据雷达资料求出雨强值，再根据雨强大小及分布面积来确定是否有暴雨。7/22/202388（6）风暴自动